液體的定向輸送基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都扮演著至關(guān)重要的角色，涵蓋領(lǐng)域包括油水分離、液體泵送、集水和微流體等諸多領(lǐng)域?？蒲腥藛T一直在為此不懈努力，探索微尺度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)液體的可控傳輸。這些系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力包括表面張力梯度、化學(xué)梯度和仿生各向異性結(jié)構(gòu)等。值得一提的是，自然界中一些生物已經(jīng)進(jìn)化出特殊的表面結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生不平衡的力并控制液體的方向性運(yùn)動(dòng)。受到這些啟發(fā)，科學(xué)家們借助靜電紡絲、三維打印和微流體技術(shù)，制造了具有靈活形狀和不對(duì)稱(chēng)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的纖維材料，用于液體輸送。例如，受到蜘蛛絲的啟發(fā)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種超細(xì)纖維，具有各向異性的曲率和表面粗糙度，通過(guò)利用表面粗糙度和曲率梯度引發(fā)的力來(lái)促使液體傳輸。通過(guò)這些預(yù)先設(shè)計(jì)的表面結(jié)構(gòu)，研究人員可以廣泛地控制液體在基材上的傳輸方向、速度和距離。盡管已經(jīng)取得了諸多進(jìn)展，但不同類(lèi)型液體的運(yùn)輸仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐后w與表面之間的相互作用會(huì)影響傳輸行為。此外，鑒于微納加工工藝方面的挑戰(zhàn)性，操作液體以滿(mǎn)足特定路徑要求也具有困難。
為此，東南大學(xué)鼓樓醫(yī)院的趙遠(yuǎn)錦教授研究團(tuán)隊(duì)與復(fù)旦大學(xué)商珞然合作，提出了一種新型壓電微流控平臺(tái)，用于制備具有軸向周期排列裙擺微結(jié)構(gòu)的柔性纖維，從而在無(wú)需預(yù)先設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)的液體輸送方面得了新的突破。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Flexible hemline-shaped microfibers for liquid transport”為題于2024年1月11日在《自然·化學(xué)工程》（Nature Chemical Engineering）的創(chuàng)刊號(hào)上發(fā)表，論文的共同第一作者是楊超宇、余筠如，論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44286-023-00001-5。
在這項(xiàng)研究中，他們采用微流體技術(shù)制造了柔性裙擺狀纖維，作為替代傳統(tǒng)方法的新選擇。通過(guò)壓電控制，他們成功地在微流體通道中開(kāi)發(fā)了一種振動(dòng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，然后將其轉(zhuǎn)化為裙擺狀超細(xì)纖維。這些纖維具有軸向?qū)R的空腔、鋒利的邊緣和環(huán)形連接的楔形角。令人驚奇的是，即使在沒(méi)有任何特殊設(shè)計(jì)的表面結(jié)構(gòu)的情況下，這些超細(xì)纖維可以與基材形成間隙，從而實(shí)現(xiàn)定向液體傳輸。通過(guò)高速相機(jī)的詳細(xì)觀(guān)察，他們發(fā)現(xiàn)液體傳輸過(guò)程包括單側(cè)釘扎、通過(guò)間隙連續(xù)傳輸和毛細(xì)管上升導(dǎo)致的微腔填充。最令人興奮的是，他們還發(fā)現(xiàn)了一對(duì)具有相同或相反角方向的緊密和相鄰的纖維可以引發(fā)多種液體傳輸現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不受液體類(lèi)型或表面潤(rùn)濕性的限制。此外，這些超細(xì)纖維具有內(nèi)在的柔韌性，因此可以沿著三維路徑進(jìn)行液體傳輸。這一創(chuàng)新平臺(tái)已經(jīng)被應(yīng)用于液滴操作、長(zhǎng)距離液體輸送和水油分離等領(lǐng)域。這些結(jié)果證明了這一平臺(tái)的通用性和潛力，預(yù)示著在開(kāi)放式微流體、沿三維路徑的液體傳輸以及能源和環(huán)境工程等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用。
圖1 壓電微流控技術(shù)生成的裙擺狀射流模板
圖2 裙擺狀纖維的形貌表征
圖3單根裙擺狀纖維在親水基底上的液體輸送特性
圖4裙擺狀纖維對(duì)的液體輸送特性
圖5柔性裙擺狀纖維的應(yīng)用
總之，這項(xiàng)研究工作開(kāi)發(fā)了一種新型微流控平臺(tái)，可以動(dòng)態(tài)控制通道內(nèi)的流體流動(dòng)，制備了具有裙擺形貌的柔性纖維材料，并研究了其在單向液體傳輸方面的潛力。這為解決工程中的無(wú)特殊表面結(jié)構(gòu)的液體傳輸問(wèn)題提供了創(chuàng)新思路。
